Estrazione, caratterizzazione e Machine learning analysis di miscele complesse di biomolecole derivanti dalla fermentazione di biomasse agroindustriali per applicazioni farmaceutiche, cosmeceutiche e nutraceutiche

Alla luce dei 2,5 miliardi di tonnellate di rifiuti prodotti, l’Unione europea sta promuovendo la transizione verso un’economia circolare a zero emissioni di CO2, sostenibile e libera da sostanze tossiche entro il 2050. In alternativa all’attuale modello economico lineare basato sullo schema “estrarre, produrre, utilizzare e gettare”, l’economia circolare mira ad ampliare il più possibile il ciclo di vita dei prodotti. Ciò è possibile reintroducendo nel ciclo economico, una volta che il prodotto ha terminato la propria funzione, i materiali di cui è composto. Tra le motivazioni che rendono necessaria tale transizione troviamo l’impatto sul clima, dal momento che gli odierni processi di estrazione e utilizzo delle risorse producono una grande pressione ambientale. [1] Le attuali politiche mirate alla promozione di energia rinnovabile e di biobased products hanno aumentato l’importanza delle biomasse come materie prime in UE. [2] Sostenibilità e rispetto dell’ambiente sono alcuni drivers dell’utilizzo di biomasse. Le fonti di biomassa possono essere diverse, tra cui rifiuti municipali solidi, residui di colture agricole, avanzi industriali. [3] In particolare, si assiste ad un crescente interesse internazionale verso l’industria agroalimentare, dal momento che essa genera elevate quantità di sottoprodotti e scarti che rappresentano un’interessante ed economica fonte di composti bioattivi. [4] Per tale motivo le indagini scientifiche che mirano all’identificazione di biomolecole in queste matrici giocano un ruolo chiave anche alla luce delle potenziali applicazioni in diversi settori. [5] Allo scopo di contribuire ad un’economia sempre più green, la fermentazione, che permette di trasformare un substrato di partenza in prodotti a valore aggiunto mediante l’uso di microrganismi, è senza dubbio una tecnologia di grande interesse e rappresenta una valida alternativa alla sintesi chimica. L’industria chimica, contrariamente all’approccio fermentativo, sfrutta reazioni che concorrono a determinare un modello produttivo poco sostenibile a causa delle alte temperature, dei solventi organici e degli scarti di difficile smaltimento. Ispirandosi all’approccio “cradle to cradle”, il ricorso alle biotecnologie in campo agroalimentare consente di operare processi landfree e watersaving poiché i prodotti derivanti da tecniche di agricoltura tradizionale possono essere ottenuti ugualmente sfruttando colture cellulari e senza dover ricorrere all’uso di pesticidi e fertilizzanti. Inoltre, questi processi possono anch’essi generare sottoprodotti di lavorazione che concorrono ad alimentare il ciclo di economia circolare. Questo progetto ha lo scopo di ottenere molecole bioattive partendo da sottoprodotti e scarti originati dalla produzione agricola e dall’industria alimentare, riducendo così l’impatto ambientale legato al loro smaltimento ed utilizzando una filiera corta. I processi capaci di valorizzare tali risorse sono le biotecnologie, le quali in Italia e in Emilia‐Romagna ad oggi presentano un elevato potenziale di crescita. [6] Pertanto si prevede di sottoporre scarti e sottoprodotti della filiera agroalimentare emiliano-romagnola a fermentazioni liquide e/o su strato sottile in modo tale da poter ottenere dei fermentati che saranno successivamente sottoposti a caratterizzazione ed estrazione per poterne verificare il contenuto in polifenoli, molecole organiche, peptidi e polisaccaridi. Dedenaro et al. suggerisce di porre l’attenzione verso il potenziale biotecnologico di scarti agroindustriali da utilizzare come materiali grezzi per ottenere prodotti a valore aggiunto. Tale approccio ha permesso di ricavare acido lattico che, grazie alla sua versatilità applicativa, occupa un ruolo primario nei settori farmaceutico, alimentare e cosmetico. [7] Le fasi precoci della scoperta di un farmaco includono l'identificazione e la caratterizzazione del bersaglio, la scoperta del lead compound e la sua ottimizzazione. I progressi nella scienza computazionale hanno accelerato tali processi tanto che l’intelligenza artificiale, in cui rientra l’uso di algoritmi di machine learning (ML), è ad oggi ampiamente usata sia dall’industria che dal mondo accademico. L’applicazione di tali algoritmi permette di sviluppare modelli di classificazione attività-composizione che, in uno studio recente, ha permesso l’identificazione dei componenti degli oli essenziali coinvolti nell’inibizione del biofilm in P. aeruginosa. [8] In maniera simile, quindi, può essere preso in considerazione in questo studio l’approccio di ML per analizzare le potenzialità applicative delle miscele di biomolecole ottenute dalla fermentazione di biomasse agroindustriali al fine di identificare lead compound con bersagli differenti. In conclusione, questo studio ha lo scopo di ottenere molecole bioattive di interesse farmaceutico, nutraceutico e cosmeceutico sfruttando approcci fermentativi e valorizzando gli scarti del settore agroalimentare mediante tecnologie green. Inoltre, il progetto si propone di dimostrare che il presente approccio, inizialmente sviluppato sulla filiera locale, rappresenta un modello di economia circolare asportabile anche ad altre realtà. A tal fine risulterà necessario ottimizzare i processi stabilendo i parametri ottimali affinché la resa delle molecole sia massima.

[1] https://www.europarl.europa.eu/news/it/headlines/economy/20151201STO05603/economia-circolare-definizioneimportanza-e-vantaggi
[2] Sherwood, J., The significance of biomass in a circular economy, Bioresource Technology (2020), doi:
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.122755
[3] Michael O. Daramola, Augustine O. Ayeni. Valorization of biomass to value-Added Commodities, Current Trends,
Challenges and Future Prospects, Springer Nature Switzerland AG.
[4] Faustino M, Veiga M, Sousa P, Costa EM, Silva S, Pintado M. Agro-Food Byproducts as a New Source of Natural Food
Additives. Molecules. 2019 Mar 18;24(6):1056. doi: 10.3390/molecules24061056. PMID: 30889812; PMCID: PMC6471601.
[5] Chiocchio I, Mandrone M, Tomasi P, Marincich L, Poli F. Plant Secondary Metabolites: An Opportunity for Circular
Economy. Molecules. 2021 Jan 18;26(2):495. doi: 10.3390/molecules26020495. PMID: 33477709; PMCID: PMC7831927.
[6] https://fesr.regione.emilia-romagna.it/s3/s3_allegato1.pdf/@@download/file/s3_allegato1.pdf
[7] Dedenaro G, Costa S, Rugiero I, Pedrini P, Tamburini E. Valorization of Agri-Food Waste via Fermentation: Production of llactic Acid as a Building Block for the Synthesis of Biopolymers. Applied Sciences. 2016; 6(12):379.
https://doi.org/10.3390/app6120379
[8] Artini, Marco et al. “Antimicrobial and Antibiofilm Activity and Machine Learning Classification Analysis of Essential Oils
from Different Mediterranean Plants against Pseudomonas aeruginosa.” Molecules (Basel, Switzerland) vol. 23,2 482. 23
Feb. 2018, doi: 10.3390/molecules23020482

Ambrosialab srl - Via Mortara 171- 44121 Ferrara

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green technologies
Articolazione 6 Tendenze emergenti nelle tecnologie alimentari ed efficientamento dei processi di trasformazione

5.6.2 Scienze e tecnologie alimentari
Articolazione 6. Tendenze emergenti nelle tecnologie alimentari ed efficientamento dei processi di trasformazione: Priorità di ricerca 6d (produzione di alimenti innovativi e salutistici) e 6f (riduzione e valorizzazione dei sottoprodotti)

Il progetto è conforme agli obiettivi del sottoprogramma dell’Unione Europea "Economia Circolare e Qualità della Vita", e specificamente all'obiettivo: "sviluppare sistemi circolari, in linea con il nuovo Piano d'Azione dell'Economia Circolare e riflettendo il suo focus su prodotti sostenibili, settori ad alta intensità di materiali ed energia e modelli di business circolare", in quanto le azioni del progetto intendono valorizzare i sottoprodotti agricoli che altrimenti sarebbero considerati rifiuti. La trasformazione di questi sottoprodotti in materie prime secondarie è in linea con le politiche dell'Economia Circolare e con il Piano d'Azione Europeo. Al pari del PNR, anche questo studio condivide principi e finalità del GD europeo, ponendosi come obiettivi la riduzione dell’impatto ambientale e la promozione di un uso efficiente delle risorse al fine di realizzare un’economia circolare. I prodotti valorizzati sono sostenibili perché si consumano meno risorse materiali ed energetiche per la loro produzione e soprattutto si valutano gli impatti ambientali evitati per la produzione di questi materiali rispetto ai materiali con materie prime vergini.

Inoltre, il progetto rispetta gli obiettivi fissati per i temi "rifiuti" e "simbiosi industriale". Il progetto incoraggia la riduzione della produzione di rifiuti biologici, in quanto si valorizzano i sottoprodotti delle filiere agricole e si recuperano prodotti di alta gamma da tali rifiuti, o rigenerando materie prime di alta qualità. Inoltre, il progetto intende porre le basi per la promozione di una simbiosi industriale in cui le varie aziende (produttori di sottoprodotti e utilizzatori di prodotti rigenerati) siano presenti nello stesso territorio.

Questo progetto ha come ulteriore impatto il miglioramento la transizione ecologica delle PMI nella zona di Ferrara (regione Emilia Romagna). Il protocollo sviluppato potrebbe essere esteso ad altri soggetti attuatori, funzionando come modello operativo di economia circolare basata sull’UP-CYCLING degli scarti e sottoprodotti di lavorazione agroindustriale.

• Economia circolare
• Sostenibilità
• Upcycling
• Valorizzazione dei sottoprodotti
• Filiera agroalimentare